Cristais líquidos: cara a unha comprensión máis profunda da materia

Figura 1. Fotografía dun cristal líquido observado cun microscopio óptico de polarización. A orde adicional que non teñen os líquidos normais provoca a aparición de texturas estrañas.

Figura 2. Algunhas estruturas que poden mostrar os cristais líquidos formados por moléculas en forma de varilla. Nos extremos atópanse os estados cristalino e líquido, as fases de maior e menor orde, respectivamente. Ed. Aitor Erkoreka e Josu Martínez-Perdiguero.

Desde o descubrimento do primeiro cristal líquido no século XIX, nos compostos que se sintetizaron ao longo dos anos observáronse diversas subfases que se clasifican segundo a estrutura que adoptan as moléculas. Os cristais líquidos nemáticos mencionados anteriormente, sinalados coa letra N, só teñen orde de orientación. Os cristais líquidos esmécticos (Sm) tamén teñen orde de posición. De feito, ademais de orientar as moléculas nunha dirección determinada, tenden a situarse en planos paralelos entre si, mantendo sempre certa fluidez. A principios do século XX, os famosos físicos Debye e Born propuxéronlle a existencia dunha nova fase [3, 4]: o cristal líquido nemático ferroeléctrico (NF). Aínda que as moléculas dos materiais nemáticos comúns son polares, toda a estrutura é apolar. É dicir, non todos os dipolos eléctricos (separación de cargas positivas e negativas) teñen por que estar orientados na mesma dirección, xa que as interaccións moleculares non separan os extremos das moléculas [5]. A fase nemática ferroeléctrica sería polar, é dicir, todos os dipolos estarían orientados nunha dirección crebada. Despois deste prognóstico teórico, pasaron décadas e décadas, pero non se atopou material de sácalas. Os únicos cristais líquidos ferroeléctricos que se sintetizaron eran esmécticos, xa que a orde de posición dos moles facilitaba a aparición de ferroelectricidad. A aridez (pouca orde de posición) e a ferroelectricidad son excluíntes entre si [6]. De feito, a axitación térmica sería capaz de eliminar incluso a mínima ordenación dos dipolos de longo alcance que puidese xurdir no material. De acordo con esta afirmación, por tanto, non era de estrañar que non se atopase ningún material deste tipo.

Figura 3. Diferenza entre as fases _N e NF. Na primeira non hai orde polar, xa que os dipolos eléctricos teñen sentido aleatorio. No segundo, con todo, as interaccións moleculares fan que todos os dipolos estean orientados nunha dirección determinada. Ed. Aitor Erkoreka e Josu Martínez-Perdiguero.

En 2017, con todo, varios químicos sintetizaron algúns compostos curiosos [7, 8]. As fresas destes materiais eran moi polares e ao baixar a temperatura observaron unha transición de fase nematico-nemática. No entanto, a natureza da fase nemática de baixa temperatura era distinta. Un grupo de investigación estudou a estrutura dun destes cristais líquidos, coñecido como RM734 [9]. Os investigadores propuxeron que o RM734 leva unha fase nemática localmente polar. Nel existirían dominios polares con sentidos rotatorios nos que os moles adoptarían unha estrutura de expansión (splay structure en inglés), é dicir, as moléculas propagaríanse radialmente dunha orixe. Aínda que posteriormente se atopou que esta estrutura corresponde a outra fase intermedia _{entre as} fases N e NF, este estudo preliminar foi importante. En calquera caso, os científicos do Centro de Investigación en Materiais Brandos da Universidade de Colorado foron os primeiros que propuxeron a ferroelectricidad deste material en 2020 [10]. Segundo os estadounidenses, este cristal líquido mostra a fase NF _predicida por Born con dominios polares macroscópicos. Estes resultados foron confirmados por grupos de todo o mundo e atopáronse moléculas que cumpren características similares. Podemos dicir, pois, que se atopou un novo estado da materia.

O reto que temos agora os científicos é comprender esta nova fase. Que características ten a fase _NF? Cales son os mecnismos moleculares que permiten o emparellamento dos dipolos? Nós, como investigadores do Departamento de Física da Unión Vasca, estamos a tratar de responder a estas preguntas. Para iso utilizamos métodos eléctricos. Concretamente, medimos a denominada permitibidad dieléctrica, tanto en función da frecuencia de excitación eléctrica como da temperatura. Esta magnitude física, en certo xeito, cuantifica a influencia dun campo eléctrico externo nunha determinada «mural». Aínda que esta variable é macroscópica, mediante unha análise axeitada dos datos, pódense investigar os procesos moleculares destes materiais. Na _fase NF, en concreto, medíronse os xigantescos valores de permitividad diáfana [11], cuxo orixe é descoñecido. Abordando este tipo de cuestións, entenderemos mellor o carácter desta fase mixta. Ademais, o interese destes materiais non é só científico, senón tamén tecnolóxico. En realidade, as NF poden ser útiles para facer pantallas máis eficientes, novos dispositivos electro-ópticos, etc. En definitiva, hai que ter en conta que a principal característica destes compostos é o seu polaridad, é dicir, son moi sensibles aos campos eléctricos exteriores. Por tanto, non sería estraño que nuns anos todos levemos un material NF nos nosos teléfonos móbiles.

Bibliografía

O agradecemento de
Aitor Erkoreka ao Departamento de Educación do Goberno Vasco pola subvención recibida a través do Programa Predoctoral de Formación de Persoal Investigador Non Doutor.